CN202946244U

CN202946244U - 管式高温燃料电池耦合的离心式微小型燃气轮机

Info

Publication number: CN202946244U
Application number: CN 201220610989
Authority: CN
Inventors: 田原宇; 乔英云; 刘峰
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2022-11-16

Abstract

本实用新型提供管式高温燃料电池耦合的离心式微小型燃气轮机，沿转动轴依次向后排列透平室、离心压气机和高速永磁电机；透平室内装离心式涡轮，固定在转动轴上；透平室前部依次设置板式回热器和板式换热器，沿透平室圆周切线方向均匀布置燃尽室，燃尽室入口为管状高温燃料电池组；离心压气机出口与板式回热器入口通过管道相连，燃烧室入口和板式回热器出口通过管道相连，燃烧室出口正对离心式涡轮；高速永磁电机连接变频系统，发电效率高、结构简单、成本低，制造和装配容易，维修和更换费用较低，便于移动。

Description

管式高温燃料电池耦合的离心式微小型燃气轮机

1.技术领域

本实用新型涉及燃气轮机技术领域，特别地，涉及微小型燃气轮机结构。

2.背景技术

微型燃气轮机是一类新近发展起来的小型热力发动机，其单机功率范围为25～300kW，基本技术特征是采用径流式叶轮机械（向心式透平和离心式压气机）以及回热循环。据认为,微型燃气轮机发电技术有可能掀起“电源小型分散化”的技术革新热潮,从而成为21世纪能源技术的主流。

先进微型燃气轮机具有多台集成扩容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振动、低维修率、可遥控和诊断等一系列先进技术特征，除了分布式发电外，还可用于备用电站、热电联产、并网发电、尖峰负荷发电等，是提供清洁、可靠、高质量、多用途、小型分布式发电及热电联供的最佳方式，无论对中心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用。此外，微型燃气轮机在民用交通运输（混合动力汽车）以及军车以及陆海边防方面均具有优势，受到美、俄等军事大国的关注，因此，从国家安全看发展微型燃气轮机也是非常重要的。

目前大多数燃气轮机的设计结构是由飞机喷气发动机的直接演变，透平室、燃烧室、离心压气机、发电机等成轴向卧式布置，对中心轴的耐温性和加工和使用的垂直度要求苛刻，需要由旋转部分、轴承、密封件、润滑油系统和尖端的电子控制设备组成的复杂装置。由于在技术上的复杂，使大多数用户都得依靠原设备制造厂家来完成维修、大修和进行先进的维护保养。由于同轴排列的燃烧室的高温高速燃气还需要经过固定的涡轮叶轮导向变为旋转气流带动透平涡轮做功，需要消耗能量，另外用于发电的燃气轮机在空间布置上不像飞机喷气发动机那样要求紧凑。

高温燃料电池具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点，可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料，在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站。管式SOFC具有高机械强度、高抗热冲击性能、简化的密封技术、高模块化集成性能等特点,是最接近商业化的SOFC发电技术。但目前高温燃料电池燃料燃烧不完全，排烟温度过高，亟待综合利用。

因此依据流体特性，将管式高温燃料电池组和微小型燃气轮机耦合，开发高效、结构简单、成本低、制造和装配容易、维修和更换费用较低、便于移动的高温燃料电池组和微小型燃气轮机复合结构，通过电化学反应将燃料中的化学能直接转换为电能和高温烟气轮机发电梯级组合、热电联供实现能量的高效利用是未来分布式能源亟待解决难题之一。

3.发明内容

本实用新型的目的就是为了克服现有微小型燃气轮机结构技术存在的不足而提供一种管式高温燃料电池耦合的离心式微小型燃气轮机，无需流向转化，直接利用高速燃气动能，效率高、结构简单、成本低，制造和装配容易，维修和更换费用较低，便于移动的燃气轮机结构。

本实用新型的技术方案：

本实用新型提供管式高温燃料电池耦合的离心式微小型燃气轮机，由转动轴、离心式涡轮、透平室、燃尽室、管状高温燃料电池组、轴承Ⅰ、离心压气机、高速永磁电机、轴承Ⅱ、板式回热器、板式换热器和变频系统组成。沿转动轴依次向后排列透平室、离心压气机和高速永磁电机；透平室内装离心式涡轮，固定在转动轴上，透平室采用轴承Ⅰ定位；透平室前部依次设置板式回热器和板式换热器，沿透平室圆周切线方向均匀布置燃尽室，燃尽室入口为管状高温燃料电池组；离心压气机出口与板式回热器入口通过管道相连，管状高温燃料电池组入口和板式回热器出口通过管道相连，燃尽室出口正对离心式涡轮；离心压气机和高速永磁电机中间位置的转动轴通过轴承Ⅱ悬挂和定位，高速永磁电机和管状高温燃料电池组连接变频系统，热量利用合理、结构简单、成本低，制造和装配容易，维修和更换费用较低，便于移动。

转动轴为立式布置或水平布置。

离心式涡轮和离心压气机为单级或多级。

燃尽室沿透平室圆周切线方向均匀布置，与透平室轴向方向垂直，个数为偶数。

轴承1和轴承Ⅱ为滑动轴承、滚动轴承、空气轴承和磁悬浮轴承中的一种。

板式回热器和板式换热器为螺旋板式换热器、平板式换热器和板翅式换热器中的一种。

4.附图说明

图1是本实用新型的管式高温燃料电池耦合的离心式微小型燃气轮机结构示意图。

附图的图面说明如下：1.转动轴、2.离心式涡轮、3.透平室、4.燃尽室、5.离心压气机、6.高速永磁电机、7.轴承Ⅱ、8.板式回热器、9.板式换热器、10.变频系统、11、轴承Ⅰ、12.管状高温燃料电池组

5.具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作详细的介绍：图1所示，本实用新型所述的管式高温燃料电池耦合的离心式微小型燃气轮机由转动轴（1）、离心式涡轮(2)、透平室(3)、燃尽室(4)、管状高温燃料电池组（12）、离心压气机(5)、高速永磁电机(6)、轴承(7)、板式回热器(8)、板式换热器（9）和变频系统(10)组成。沿转动轴（1）依次向后排列透平室（3）、离心压气机（5）和高速永磁电机（6）；透平室（3）内装离心式涡轮（2），固定在转动轴（1）上，透平室（3）采用轴承Ⅰ（11）定位；透平室（3）前部依次设置板式回热器（8）和板式换热器（9），沿透平室（3）圆周切线方向均匀布置燃尽室（4），燃尽室（4）入口为管状高温燃料电池组（12）；离心压气机（5）出口与板式回热器（8）入口通过管道相连，管状高温燃料电池组（12）入口和板式回热器（8）出口通过管道相连，燃尽室（4）出口正对离心式涡轮（2）；离心压气机（5）和高速永磁电机（6）中间位置的转动轴（1）通过轴承（7）悬挂和定位，高速永磁电机（6）和管状高温燃料电池组（12）连接变频系统（10），热量利用合理、结构简单、成本低，制造和装配容易，维修和更换费用较低，便于移动。

转动轴（1）为立式布置或水平布置。

离心式涡轮（2）和离心压气机（5）为单级或多级。

燃尽室（4）沿透平室（3）圆周切线方向均匀布置，与透平室（3）轴向方向垂直，个数为偶数。

轴承1（11）和轴承Ⅱ（7）为滑动轴承、滚动轴承、空气轴承和磁悬浮轴承。

板式回热器（8）和板式换热器（9）为螺旋板式换热器、平板式换热器和板翅式换热器中的一种。

工作时，高压燃气与离心式压气机来的高压空气在管状高温燃料电池组的发生电化学反应，产生的高温高速燃气进入燃尽室进一步燃烧，高速烟气沿透平室圆周类切线方向喷入透平室，直接推动离心式涡轮带动转动轴高速旋转，同轴高速旋转的离心压气机为燃烧时提供高压空气，高速永磁电机产生的高频电流和管状高温燃料电池组产生的直流电流经过变频系统转化为50HZ或60HZ的常用电流外输；从透平室中心流出的高温燃气先与高压空气在板式回热器中换热回收能量，然后再在板式换热器中回收能量，实现电热或冷量联供，加之高温燃料电池和燃气轮机耦合实现了燃料化学能的梯级利用，提高能源利用效率；偶数分布的燃尽室保证了离心式涡轮受力平衡，也为燃气轮机通过燃烧时开启个数简便调节发电量提供了手段；转动轴立式布置节省了空间，降低了中心轴的耐温性和加工和使用的垂直度要求苛刻度；磁悬浮轴承减少了启动摩檫力，实现了转动轴的精确定位和固定，便于燃气轮机的快速启动。这些措施的采用使管式高温燃料电池耦合的离心式微小型燃气轮机热量利用合理、发电效率高达80%以上、结构简单、成本低，制造和装配容易，维修和更换费用较低，便于移动，更适合于分布式智能电网热电冷多联供使用。

Claims

1.管式高温燃料电池耦合的离心式微小型燃气轮机，由转动轴、离心式涡轮、透平室、燃尽室、管状高温燃料电池组、轴承Ⅰ、离心压气机、高速永磁电机、轴承Ⅱ、板式回热器、板式换热器和变频系统组成，其技术特征是沿转动轴依次向后排列透平室、离心压气机和高速永磁电机；透平室内装离心式涡轮，固定在转动轴上，透平室采用轴承Ⅰ定位；透平室前部依次设置板式回热器和板式换热器，沿透平室圆周切线方向均匀布置燃尽室，燃尽室入口为管状高温燃料电池组；离心压气机出口与板式回热器入口通过管道相连，管状高温燃料电池组入口和板式回热器出口通过管道相连，燃尽室出口正对离心式涡轮；离心压气机和高速永磁电机中间位置的转动轴通过轴承Ⅱ悬挂和定位，高速永磁电机和管状高温燃料电池组连接变频系统。

2.根据权利要求1所述的管式高温燃料电池耦合的离心式微小型燃气轮机，其特征在于所说的转动轴为立式布置或水平布置。

3.根据权利要求1所述的管式高温燃料电池耦合的离心式微小型燃气轮机，其特征在于所说的离心式涡轮和离心压气机为单级或多级。

4.根据权利要求1所述的管式高温燃料电池耦合的离心式微小型燃气轮机，其特征在于所说的燃尽室沿透平室圆周切线方向均匀布置，与透平室轴向方向垂直，个数为偶数。

5.根据权利要求1所述的管式高温燃料电池耦合的离心式微小型燃气轮机，其特征在于所说的轴承Ⅰ和轴承Ⅱ为滑动轴承、滚动轴承、空气轴承和磁悬浮轴承中的一种。

6.根据权利要求1所述的管式高温燃料电池耦合的离心式微小型燃气轮机，其特征在于所说的板式回热器和板式换热器为螺旋板式换热器、平板式换热器和板翅式换热器中的一种。